本實用新型屬于農(nóng)業(yè)物料力學(xué)、流變學(xué)特性研究領(lǐng)域，尤其是涉及一種兩用農(nóng)業(yè)物料壓縮成型裝置。

背景技術(shù)：

農(nóng)業(yè)纖維物料的開發(fā)利用在我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占有重要地位。以玉米秸稈、馬鈴薯渣等物料為例，其作為飼料或生物質(zhì)燃料，可取得巨大的經(jīng)濟效益和生態(tài)效益。但是，農(nóng)業(yè)纖維物料通常較為松散，容積密度小，無論是儲存，還是運輸，都占用很大的空間。尤其在運輸過程中，如果不加以處理，會使運輸成本增加數(shù)倍或更多。解決此問題的一種行之有效的方法是對松散物料進行壓縮處理，從而提高物料的容重，降低運輸成本。例如，根據(jù)中國農(nóng)業(yè)大學(xué)成套設(shè)備所的實驗統(tǒng)計，草物料壓捆后平均密度可增大10倍左右，相應(yīng)的儲存空間只需壓捆前的1/10，而壓捆后的運輸成本可比不壓捆運輸?shù)某杀窘档?0％左右。

農(nóng)業(yè)松散物料在冷態(tài)下成型有兩種主要方式：閉式壓縮與開式壓縮，近年來已頻繁應(yīng)用于秸稈、草物料、鋸末等生物質(zhì)燃料與飼料的壓縮試驗研究與生產(chǎn)。本實用新型采用組合式設(shè)計將閉式壓縮成型裝置與開式壓縮成型裝置結(jié)合在一起，通過更換活塞壓板與內(nèi)腔套的方式實現(xiàn)閉式壓縮裝置與開式壓縮裝置的相互轉(zhuǎn)換，節(jié)約試驗及生產(chǎn)成本與時間。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的是提供一種結(jié)構(gòu)簡單、操作簡單、可進行閉式壓縮也可進行開式壓縮的兩用農(nóng)業(yè)物料壓縮成型裝置。

本實用新型的技術(shù)方案是：本實用新型的一種兩用農(nóng)業(yè)物料壓縮成型裝置，包括圓筒狀的型腔，所述型腔內(nèi)壁上設(shè)有均布的導(dǎo)流孔；

所述型腔的底端設(shè)有底座，所述底座的中心位置設(shè)有端部開口，所述型腔內(nèi)上部設(shè)有上壓縮活塞，所述上壓縮活塞的外壁與型腔的內(nèi)壁相配合；

所述型腔內(nèi)下部設(shè)有可替換部件，所述可替換部件包括可替換的下壓縮活塞和可替換的內(nèi)腔套，所述下壓縮活塞裝配在型腔內(nèi)時可完成閉式壓縮成型作業(yè)，所述內(nèi)腔套裝配在型腔內(nèi)時可完成開式壓縮成型作業(yè)；

所述下壓縮活塞的外壁與型腔的內(nèi)壁相配合；

所述內(nèi)腔套的頂端為錐形料斗，所述錐形料斗與內(nèi)腔套中心的圓柱孔相連通，所述圓柱孔的位置與端部開口的位置相對應(yīng)。

所述導(dǎo)流孔為階梯孔。所述導(dǎo)流孔的內(nèi)側(cè)孔直徑為1mm，外側(cè)孔直徑為3m，深度為3mm。

型腔壁厚δ＝7mm，型腔內(nèi)徑D＝95mm，上、下壓縮活塞壓板厚度t＝20mm，活塞桿直徑d＝30mm；型腔材料選取合金鋼40Cr，抗拉強度σ_b＝980MPa，屈服強度σ_s＝785MPa；

所述上壓縮活塞的外壁與型腔的內(nèi)壁相配合，孔軸配合尺寸為φ95H9/d9；

內(nèi)腔套材料采用45鋼，抗拉強度σ_b＝600MPa，屈服強度σ_s＝355MPa，剪切強度τ_b＝480MPa，內(nèi)腔套壁厚為δ₀＝39.5mm，圓柱孔直徑d_c＝30mm，活塞壓板厚度t＝20mm，圓柱孔長度L＝120mm，型腔長徑比為1∶4，內(nèi)腔套錐形料斗錐度α＝15°-45°。

本實用新型具有的優(yōu)點和積極效果是：

目前常用的農(nóng)業(yè)纖維物料的開式壓縮裝置與閉式壓縮裝置是分離的，其用于試驗及生產(chǎn)的過程也是分離的，不利于試驗結(jié)果、實際生產(chǎn)效果的比較分析，兩套不同的壓縮裝置的制作成本也較高。

本實用新型設(shè)計的開、閉式兩用農(nóng)業(yè)物料壓縮成型裝置使用效果理想，其設(shè)計充分考慮了被測試物料的特點，在降低壓縮成型試驗成本及生產(chǎn)成本的同時，為相關(guān)物料壓縮成型方式的選擇及力學(xué)特性參數(shù)的比較分析提供了較為全面的試驗方法。

實用新型通過更換下活塞壓板與內(nèi)腔套的方式實現(xiàn)閉式壓縮裝置與開式壓縮裝置的相互轉(zhuǎn)換。作為開式壓縮成型裝置使用時，可通過更換不同尺寸的內(nèi)腔套改變其型腔的長徑比、開口錐度等參數(shù)，以滿足不同種類、不同配比混合物料成型的需求；作為閉式成型裝置使用時，所設(shè)計的雙活塞式的結(jié)構(gòu)，有利于成型后的物料排出，此外，閉式壓縮型腔筒壁上開有導(dǎo)流孔，便于松散物料壓縮過程中排出氣和水分。

這樣的設(shè)計節(jié)省了壓縮試驗及生產(chǎn)的成本，節(jié)約了進行壓縮試驗分析的時間，且裝置的互換性、通用性好。

附圖說明

圖1是型腔內(nèi)部裝配下壓縮活塞形成閉式壓縮裝置的示意圖。

圖2是型腔內(nèi)部裝配內(nèi)腔套形成開式壓縮裝置的示意圖。

圖3是內(nèi)腔套的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是閉式壓縮裝置受力示意圖。

圖5是開式壓縮裝置受力示意圖。

圖6是導(dǎo)流孔的放大示意圖。

圖中：

1-型腔，2-導(dǎo)流孔，3-底座，4-端部開口，5-上壓縮活塞，6-下壓縮活塞，7-內(nèi)腔套，8-錐形料斗，9-圓柱孔，10-物料

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本實用新型做詳細說明。

如圖1-2所示，本實用新型的一種兩用農(nóng)業(yè)物料壓縮成型裝置，包括圓筒狀的型腔1，所述型腔1內(nèi)壁上設(shè)有均布的導(dǎo)流孔2；

所述型腔1的底端設(shè)有底座3，所述底座3的中心位置設(shè)有端部開口4，所述型腔1內(nèi)上部設(shè)有上壓縮活塞5，所述上壓縮活塞5的外壁與型腔1的內(nèi)壁相配合；

所述型腔1內(nèi)下部設(shè)有可替換部件，所述可替換部件包括可替換的下壓縮活塞6和可替換的內(nèi)腔套7，所述下壓縮活塞6裝配在型腔1內(nèi)時可完成閉式壓縮成型作業(yè)，所述內(nèi)腔套7裝配在型腔1內(nèi)時可完成開式壓縮成型作業(yè)；

所述下壓縮活塞6的外壁與型腔的內(nèi)壁相配合；

如圖3所示，所述內(nèi)腔套7的頂端為錐形料斗8，所述錐形料斗8與內(nèi)腔套中心的圓柱孔9相連通，所述圓柱孔9的位置與端部開口4的位置相對應(yīng)。

如圖6所示，所述導(dǎo)流孔2為階梯孔，所述導(dǎo)流孔2的內(nèi)側(cè)孔直徑為1mm，外側(cè)孔直徑為3m，深度為3mm。

本實例的工作過程：

所述成型裝置進行閉式壓縮時，在型腔下部裝配下壓縮活塞，由上壓縮活塞進行加載，下壓縮活塞靜置，壓縮物料至指定密度時保持壓力一段時間，隨后上壓縮活塞退出，物料在下壓縮活塞作用下壓出；為便于壓縮過程中薯渣及混合物料內(nèi)水分的排出，型腔內(nèi)壁設(shè)計有均布的導(dǎo)流孔。

所述成型裝置進行開式壓縮時，以帶有錐形料斗的內(nèi)腔套(如圖3)替換閉式壓縮裝置中的下壓縮活塞，內(nèi)腔套與型腔配合后構(gòu)成開式壓縮裝置內(nèi)腔，上壓縮活塞加載時，物料10經(jīng)內(nèi)腔套成型后從型腔下端流出，經(jīng)落料口落料。

根據(jù)開式壓縮裝置內(nèi)腔套錐形料斗的錐度及圓柱孔的直徑、長度尺寸比不同，可設(shè)計不同內(nèi)徑尺寸和開口錐度的內(nèi)腔套互相替換后完成薯渣及其混合物料的壓縮成型，獲取物料壓縮成型的最佳長徑比等參數(shù)。

1、閉式壓縮成型裝置的校核

(1)型腔受力分析

閉式壓縮成型裝置型腔內(nèi)的受力如圖4所示，物料10置入型腔后，在上壓縮活塞的作用力F下，物料密度增大，此時受壓物料產(chǎn)生的脹型力P使型腔筒壁承受正壓力N₀，隨著物料密度繼續(xù)增大，型腔筒壁所受正壓力N₀也逐漸增大，當(dāng)物料密度達到最大，正壓力N₀也達到峰值，此時，上壓縮活塞壓板與下壓縮活塞壓板也同樣受到脹型力P作用，因此，可將上下壓縮活塞壓板受力分別設(shè)為N₁、N₂，如圖4所示。

根據(jù)力的平衡方程可得：P＝N₀＝N₁＝N₂ (1)

式中：

P——物料脹型力，MPa；

N₀——型腔筒壁承受正壓力，MPa；

N₁——上壓縮活塞壓板所受壓力，MPa；

N₂——下壓縮活塞壓板所受壓力，MPa。

(2)型腔壁厚強度校核

型腔裝置外形尺寸標(biāo)注如圖4所示，型腔設(shè)計壁厚δ＝7mm，內(nèi)徑D＝95mm，上、下壓縮活塞壓板厚度t＝20mm，活塞桿直徑d＝30mm，型腔材料選取合金鋼40Cr，抗拉強度σ_b＝980MPa，屈服強度σ_s＝785MPa。根據(jù)壓縮裝置的受力分析可以看出，壓縮過程中型腔處于近似密閉容器狀態(tài)，因此需對其內(nèi)壁厚度進行強度校核，校核時參考秸稈、木屑等松散物料的成型壓力，取型腔設(shè)計壓力P₀為100MPa^[22]，校核公式如下：

式中：

δ_e——型腔材料的許可最小壁厚，mm；

[σ]^t——型腔材料的許用應(yīng)力(即屈服強度eσ_s)，MPa；

P₀——壓縮型腔設(shè)計壓力，MPa；

D——壓縮型腔設(shè)計內(nèi)徑，mm；

φ——焊縫系數(shù)，φ≤1.0，此處取1.0。

將已知參數(shù)P₀＝100MPa，D＝95mm，帶入公式(2)得：

δ_e＝6.463mm＜δ

因此，型腔材料的許可最小壁厚δ_e小于型腔的設(shè)計壁厚δ，故型腔壁強度符合要求。如果考慮型腔壁上導(dǎo)流孔影響，計算所得δ_e將進一步減小，型腔的設(shè)計壁厚會更加安全，因此為簡化計算，上述強度校核過程對型腔壁上導(dǎo)流孔的影響忽略不計。

2、開式壓縮成型裝置的校核

(1)型腔受力分析

開式壓縮成型裝置型腔的受力分析分3個典型截面(階段)進行，如圖5所示，當(dāng)上壓縮活塞在加載力F的作用下開始加載時，逐漸成型的物料產(chǎn)生脹型力P，導(dǎo)致型腔內(nèi)壁受正壓力N及物料與內(nèi)壁表面間摩擦力f。開式壓縮過程中，隨著物料的移動、成型，型腔內(nèi)壁不同位置處受力大小存在一定差異。當(dāng)物料流過a-a截面位置時，由于物料較為松散，其產(chǎn)生的脹型力P較小，導(dǎo)致正壓力N_a-a和摩擦力f_a-a均較?。划?dāng)物料被壓至錐形料斗b-b截面處時，隨著物料密度增大，脹型力增大，此時型腔內(nèi)壁正壓力N_b-b與摩擦力f_b-b也逐漸增大；當(dāng)物料到達型腔末端出口c-c截面處(內(nèi)壁直徑為d_c)時，摩擦力作用使被壓縮物料密度繼續(xù)增大，此時型腔內(nèi)壁c-c截面處脹型力P、正壓力N_c-c、摩擦力f_c-c均繼續(xù)增大，當(dāng)物料被壓至落料口附近，落料前密度達到最大值，P、N_c-c和f_c-c也達到峰值，因此，成型裝置型腔內(nèi)壁在c-c截面處受力最大。

根據(jù)力的平衡方程有：

式中：

P——被壓縮物料產(chǎn)生的脹型力，MPa；

P_a-a、P_b-b、P_c-c——被壓縮物料在a-a、b-b、c-c處產(chǎn)生的脹型力，MPa；

N——型腔內(nèi)壁所受正壓力，MPa；

N_a-a、N_b-b、N_c-c——型腔內(nèi)壁在a-a、b-b、c-c處所受正壓力，MPa；

f——型腔內(nèi)壁表面所受摩擦力；

μ——型腔內(nèi)壁表面摩擦系數(shù)。

(2)型腔壁厚強度校核

開式壓縮成型裝置外形尺寸如圖5所示，增加內(nèi)腔套后，內(nèi)腔套上方作為料斗完成薯渣及混合物料的喂入。內(nèi)腔套材料采用45鋼，σ_b＝600MPa，σ_s＝355MPa，τ_b＝480MPa，料斗設(shè)計壁厚δ＝7mm，料斗圓筒內(nèi)徑D＝95mm，成型型腔設(shè)計壁厚為δ₀＝39.5mm(內(nèi)腔套壁厚與型腔壁厚之和)，成型型腔直徑d_c＝30mm，活塞壓板厚度t＝20mm，進行強度分析時取成型型腔長度L＝120mm，型腔長徑比為1∶4，內(nèi)腔套錐形料斗錐度α＝45°，同時設(shè)物料密度達到0.8×10³kg/m²～1.4×10³kg/m²時，產(chǎn)生的脹型力P₀(即型腔設(shè)計壓力)為100MPa^[23-26]。

式中：

δ_e-型腔內(nèi)壁材料許可的最小厚度，mm；

[δ]^t-型腔材料的許用應(yīng)力，MPa；

P₀-型腔設(shè)計壓力，MPa；

d-型腔設(shè)計內(nèi)徑，mm；φ-焊縫系數(shù)，φ≤1.0，此處取1.0。

根據(jù)開式壓縮成型裝置型腔受力分析可知，成型型腔內(nèi)壁在c-c截面處受力最大，故需要校核，此時P＝P_c-c＝100MPa，d＝30mm，將數(shù)值帶入式(4)計算得：

因此，型腔內(nèi)壁材料許可的最小厚度δ_e遠小于成型型腔設(shè)計壁厚δ₀，強度符合要求。

以上對本實用新型的一個實施例進行了詳細說明，但所述內(nèi)容僅為本實用新型的較佳實施例，不能被認為用于限定本實用新型的實施范圍。凡依本實用新型申請范圍所作的均等變化與改進等，均應(yīng)仍歸屬于本實用新型的專利涵蓋范圍之內(nèi)。